빔 전달
레이저 마이크로용접에서 레이저는 단독으로는 효과적으로 사용할 수 없습니다. 재료를 용접하기 위해서는 레이저를 여러 광학 및 기계 장비와 통합하여 하나의 기능적 시스템으로 구성해야 합니다. 이 시스템은 다음 세 가지 핵심 요소로 구성됩니다.
- 레이저 소스(Nd:YAG 또는 파이버 레이저)
- 빔 전달 및 초점 광학(파이버 전달)
- 다축 수치 제어 모션 시스템 또는 스캐닝 헤드
파이버 전달
1.06μm 파장 산업용 레이저에 사용되는 전달 파이버는 '스텝 인덱스' 설계를 채택합니다. 이는 높은 굴절률을 가진 코어를 낮은 굴절률의 클래딩이 감싸는 구조입니다. 빛은 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이로 인해 계면에서 전반사되어 전달됩니다. 이러한 파이버의 주요 특징은 출력 빔이 직경 전체에 걸쳐 균일한 강도 분포를 보인다는 것입니다.
코어 직경은 레이저 출력에 따라 다양하며, 펄스 Nd:YAG 레이저의 경우 100~600μm, 단일 모드 파이버 레이저의 경우 10~20μm입니다. 파이버는 고순도 용융 실리카로 제작되어 레이저 파장에서의 손실을 최소화합니다.
레이저 빔을 파이버에 효과적으로 전달하려면, 파이버 표면의 초점 스팟 직경이 파이버 코어 직경보다 작거나 같아야 전송 손실을 최소화할 수 있습니다. 상용 시스템에서는 초점 스팟 크기를 코어 직경의 80~90%로 설정하는데, 이는 파이버 조정을 용이하게 하고 레이저 매개변수에 의한 스팟 직경 변화를 줄여줍니다. 또한 입력 레이저 빔의 발산각은 파이버의 수치 조리개(NA)로 정의되는 수용 각도보다 작아야 합니다.
출력 빔의 작업물 전달은 매우 중요한 과제입니다. 파이버 레이저 빔 전달 시스템은 오염물질이나 작업물에서의 반사광으로부터 파이버 단면을 보호해야 합니다. 마이크로용접 응용에서 고품질 빔을 효과적으로 활용하기 위해서는 우수한 광학 장치와 '렌즈를 통한' 시야 확보가 필수적입니다.
전달 파이버 끝의 유효 모드 영역은 단일 모드 빔의 경우 매우 작습니다. 이로 인해 파이버 끝의 전력 밀도가 매우 높아져서 오염물질이나 역반사광에 의해 쉽게 손상될 수 있습니다. 이러한 손상을 크게 줄이기 위해서는 파이버 끝을 성형하여 빔이 실리카 재료를 빠져나오기 전에 직경이 확장되도록 할 수 있습니다.
스캐닝 헤드
스캐닝 헤드를 사용한 레이저 마이크로용접은 기존 시스템보다 큰 공간 자유도를 제공합니다. 갈바노미터 미러의 고정식 또는 이동식 배열에 따라 작은 면적부터 수 제곱미터까지의 영역을 스캔할 수 있습니다. 밀리초당 수 미터의 빠른 속도로 처리가 가능해 사이클 시간이 크게 단축되고 생산성이 향상됩니다.
일반적인 용접 응용 분야에서 실제 용접 시간은 전체 사이클 시간의 20~50%에 불과하며, 나머지는 시스템 위치 지정과 로딩에 소요됩니다. 스캐닝 헤드를 활용하면 제조 공정의 비생산적 시간을 줄여 용접 시간을 최대 90% 이상 증가시킬 수 있습니다. 또한 원형, 사인파, 개방형 원형, 나선형 등 다양한 기하학적 패턴으로 용접이 가능해 기존 스팟 및 MIG 용접보다 구조적으로 유리합니다.
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